Saimaan ammattikorkeakoulu Tekniikka Lappeenranta Rakennustekniikka Rakennesuunnittelu
Johannes Ahokainen
ASUINRAKENNUKSEN JÄÄHDYTYKSEN KOS- TEUSTEKNISET VAIKUTUKSET ULKOSEINÄRA- KENTEISIIN JA ASUMISTERVEYTEEN
Opinnäytetyö 2012
TIIVISTELMÄ
Johannes Ahokainen
Asuinrakennuksen jäähdytyksen kosteustekniset vaikutukset ulkoseinärakentei- siin ja asumisterveyteen, 43 sivua, 12 liitettä
Saimaan ammattikorkeakoulu, Lappeenranta Tekniikka, Rakennustekniikka
Rakennesuunnittelun suuntautumisvaihtoehto Opinnäytetyö, 2011
Ohjaajat: Lehtori (DI) Timo Lehtoviita Saimaan AMK, RKM, Rakter. Hannele Rämö Asumisterveysliitto Aste ry.
Opinnäytetyön tavoitteena on tutkia tyypillisten suomalaisten asuinrakennusten ulkoseinärakenteiden kosteusteknistä toimivuutta kesäolosuhteissa, kun raken- nusta jäähdytetään. Tutkimuksen tavoitteena on kartoittaa laskennallisesti riski- rakenteita ja määrittää jäähdytystä varten ohjeellinen sisälämpötila.
Laskelmat perustuvat yksiulotteiseen diffuusiovirtaan jatkuvuustilassa. Homeen kasvun mahdollistavien tekijöiden arvioinnissa on käytetty VTT Rakennusteknii- kan ns. alkuperäistä homemallia, joka on männyn pintapuun homeenkasvua kuvaava laskennallinen malli.
Laskelmien toteuttamiseksi opinnäytetyössä laadittiin taulukkolaskentaan poh- jautuva laskenta-alusta. Laskenta-alustaan syötetään ulkoseinärakenteen di- mensiot, materiaalitiedot ja sisä- ja ulkoilmaolosuhteet, minkä perusteella saa- daan taulukkomuotoinen lämpötila- ja kosteusjakauma. Lämpötila- ja kosteus- jakauman pohjalta määritetään homeenkasvun alkamiseen kuluva aika raken- teen eri kerroksissa.
Tarkasteltavat ulkoseinärakenteet jaoteltiin rakennusfysikaalisen toimintatavan mukaan. Laskelmat suoritettiin yleisellä tasolla käyttäen materiaaleille tavan- omaisia lämpö- ja kosteusteknisiä materiaalitietoja. Laskelmien tulokset esitet- tiin tekijän määrittelemien laskuesimerkkien avulla.
Laskelmien perusteella jäähdytyksen ohjeelliseksi sisälämpötilaksi saatiin 24°C.
Ohjeellisen sisälämpötilan noudattaminen poistaa ulkoseinärakenteen homeris- kin tai pienentää homeenkasvun alkamisen todennäköisyyden erittäin pieneksi.
Homeriskiä ei synny ulkoseinärakenteisiin, joiden kosteustekninen toimivuus ei ole riippuvainen diffuusiovirran suunnasta. Tällaisia rakenteita ovat esimerkiksi yksiaineiset massiivirakenteet ja jälleenrakennuskauden purueristeinen ulkosei- närakenne. Homeriski on suurimmillaan kerroksellisissa ulkoseinärakenteissa, joissa on höyrynsulku tai sitä vastaava kerros sisäpinnan läheisyydessä ja sisä- lämpötila on alhainen, tällöin sillä saattaa olla merkitystä myös asumistervey- teen.
Asiasanat: Jäähdytys, asuinrakennus, ulkoseinä, diffuusio, osapaine, kosteus, vesihöyry, home, asumisterveys
ABSTRACT
Johannes Ahokainen
Affect of residence air-conditioning on external walls´ hygrothermal conditions and housing health, 43 pages, 12 appendices
Saimaa University of Applied Sciences, Lappeenranta Tecnology, Civil and Construction Engineering
Thesis, 2011
Instructors: Lecturer (DI) Timo Lehtoviita Saimaan AMK, Housing health advi- sory officer Hannele Rämö Asumisterveysliitto Aste ry
The purpose of this thesis was to research hygrothermal conditions on external walls during cooling in summer. The review contains typical external walls of Finnish residences. One intension was to define a guideline for room tempera- ture on summertime. This research is based only on calculations.
The calculations consider the transmission of water vapour by diffusion. The Technical Research Centre of Finland (VTT) has studied the mould growth on the surface of pine blocks. The study contains a formula for analyzing mould growth and it is used in this thesis.
A Spreadsheet computer application was used on calculations. The spread- sheet template calculates the temperature and humidity distribution in external wall and the starting time for mould growth. The specifications of each external wall were typed on the template and the results and conclusion are reported on the final page of each calculation. The material values represent the common values for each material.
Increase of the room temperature reduces the appearance of hygrothermal conditions which are beneficial for mould growth. The Recommendable inner temperature during cooling is 24°C. If inner temperature is 24 °C it is very un- likely that mould grow starts in typical Finnish external wall. For those external wall types which hygrothermal action does not depend on the direction of diffu- sion there is no risk of mould growth. The risk is maximal in a structure contain- ing only one thin and diffusion resistant layer near the inner parts of the struc- ture and the room temperature is low.
Keywords: Air-conditioning, residence, external wall, diffusion, humidity, water vapour, mould, housing health
SISÄLTÖ
1 JOHDANTO ... 6
2 SISÄILMASTO JA ASUMISTERVEYS ... 7
2.1 Jäähdytyksen aiheuttamat muutokset sisäilmassa ... 7
2.2 Jäähdytys ja sisäilmastotekijät ... 8
3 LASKENTAMENETELMÄ ... 16
3.1 Rakenteen lämpötila ... 16
3.1.1 Lämpöenergian siirtyminen ... 16
3.1.2 Materiaalien lämmönjohtavuus ... 17
3.1.3 Rakenteen lämpötilajakauma ... 18
3.2 Rakenteen kosteus ... 19
3.2.1 Ilman kosteus ... 19
3.2.2 Vesihöyryn osapaine... 19
3.2.3 Osapainelaki ... 21
3.2.4 Vesihöyryn diffuusio rakenteen läpi ... 21
3.2.5 Vesihöyrynvastus ja -läpäisevyys ... 21
3.2.6 Vesihöyryn diffuusiovastuskerroin ... 22
3.2.7 Sd-arvo ... 22
3.2.8 Rakenteen kosteusjakauma ... 22
3.3 Homeen kasvun laskennallinen mallintaminen ... 23
3.4 Tulosten esittäminen ... 24
4 ULKOSEINÄRAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMINTA ... 25
4.1 Suunnittelun lähtökohta ... 25
4.2 Ulkoseinärakenteet toimintaperiaatteittain ... 25
4.2.1 Höyrynsululliset rakenteet ... 25
4.2.2 Ilmansululliset rakenteet ... 26
4.2.3 Kiviaineiset kerrosrakenteet ... 26
4.2.4 Massiivirakenteet ... 26
5 LASKENNAN OLETUKSET JA RAJAUKSET ... 27
5.1 Laskentamenetelmä ... 27
5.2 Suomen jäähdytyskauden ilmasto-olosuhteet ... 28
5.2.1 Ulkoilman lämpötila ... 28
5.1.2 Ulkoilman kosteus ... 33
5.3 Sisäilmasto-olosuhteet ... 35
5.4 Materiaaliominaisuudet... 36
6 ULKOSEINÄRAKENTEIDEN TOIMINTA JÄÄHDYTYSKAUDELLA ... 37
5.3 Höyrynsulullinen ulkoseinärakenne ... 37
5.5 Ilmansulullinen ulkoseinärakenne ... 38
5.4 Kiviaineinen kerroksellinen ulkoseinärakenne ... 38
5.6 Massiivirakenteet ... 39
7 YHTEENVETO ... 39 LIITTEET
Liite 0 Esimerkkilaskelmia yksikkömuunnoksista
Liite1…11 Ulkoseinärakenteiden diffuusiovirtalaskelmat
6
1 JOHDANTO
Asuinrakennusten jäähdytys on lisääntynyt Suomessa kuluneen viidentoista vuoden aikana merkittävästi. Ilmalämpöpumppujen markkinointi ja suhteellisen edullinen hankintahinta ovat herättäneet kuluttajien mielenkiinnon. Ilmalämpö- pumppuja markkinoidaan energiaa säästävinä lisälämmönlähteinä, jäähdytys- laitteina, ilman suodattimina ja monilla muilla asumismukavuuteen pohjautuvilla perusteilla.
Asuinrakennusten jäähdytys toteutetaan pääasiallisesti ilmalämmönvaihtimilla, joissa lämpöenergiaa sitoutuu sisäilmasta kylmäaineeseen. Lämpöpumpuista puhuttaessa sisälämmönvaihdinta kutsutaan usein sisäyksiköksi. Sisäyksikön läpi virtaavan ilman laatu muuttuu ja siten vaikutetaan sekä suoraan että välilli- sesti rakennuksen sisäilmastoon. Muuttuvia tekijöitä ovat ilman lämpötila, suh- teellinen kosteus ja epäpuhtaudet.
Sisäilmaston koneellinen muuttaminen lämpimänä vuodenaikana vaikuttaa asuinrakennusten ulkoseinärakenteiden lämpö- ja kosteustekniseen toimintaan.
Asuinrakennusten seinärakenteiden rakennusfysikaalisessa suunnittelussa ei perinteisesti ole huomioitu jäähdytystä. Lämpö- ja kosteusteknisen suunnittelun lähtökohtana on ollut, että asuinrakennusta lämmitetään kylminä vuodenaikoina ja kesällä olosuhteet ovat luonnontilassa. Lämpimällä ajanjaksolla rakennusta jäähdytettäessä olosuhteet ovat perinteiseen suunnittelutilanteeseen nähden vastakkaiset: sisällä on viileämpää kuin ulkona.
Kosteus siirtyy ulkoseinärakenteessa kapillaarisesti sekä konvektion ja diffuusi- on vaikutuksesta. Opinnäytetyön tavoite on arvioida laskennallisesti käänteisen vesihöyryn diffuusiovirran vaikutusta tyypillisten asuinrakennusten ulkoseinära- kenteisiin jäähdytyskaudella. Laskelmat perustuvat vesihöyryn osapaine-eron aiheuttamaan yksiulotteiseen diffuusiovirtaan jatkuvuustilassa. Homeen kas- vuun liittyviä tekijöitä on pyritty arvioimaan VTT:n ns. alkuperäisen homemallin pohjalta.
7
2 SISÄILMASTO JA ASUMISTERVEYS
2.1 Jäähdytyksen aiheuttamat muutokset sisäilmassa
Asuinrakennusten jäähdytyksessä käytetään pääasiassa ilmalämpöpumppuja.
Ilmalämpöpumppujärjestelmä koostuu sisä- ja ulkoyksiköstä. Ilmalämpöpumpun sisäyksikkö on ilmavirtaan perustuva lämmönvaihdin, joka on varustettu eri- tyyppisillä ilman suodattimilla. Rakennuksen sisäilmaa kierrätetään sisäyksikön läpi, jolloin sen ominaisuudet muuttuvat. Sisäyksikön lämmönvaihtimen lämpöti- la on tyypillisesti noin +2…+8 C ja se säilyy käytön aikana lähes vakiona. Si- säilman virratessa kylmän lämmönvaihtimen läpi sitoutuu siitä energiaa sulje- tussa kierrossa olevaan kylmäaineeseen. Ulkoyksikön tarkoitus on luovuttaa si- toutunut energia ulkoilmaan.
Sisäilman energiasisällön muuttuessa muuttuvat myös sen lämpötila ja vesi- höyrypitoisuus. Osa ilman sisältämästä vesihöyrystä tiivistyy kylmän lämmön- vaihtimen pinnalle, mistä se johdetaan ulos rakennuksesta. Vesihöyrypitoisuu- den alenemisen seurauksena laskee sisäilman suhteellinen kosteus. Sisäyksi- kössä viilentynyt ja kuivunut sisäilma puhalletaan takaisin viilennettävään tilaan, jossa se sekoittuu käsittelemättömään ilmaan. Ilman kierto jatkuu järjestelmän säätelemänä kunnes haluttu sisälämpötila on saavutettu. Jäähdytettäessä muuttuvat siis sisäilman lämpötila, suhteellinen kosteus ja rakennuksen sisäiset ilmavirrat.
Ilmalämpöpumpun sisäyksikön esisuodattimien tarkoitus on estää huoneilman sisältämän pölyn kertyminen lämmönvaihtimeen. Lisäksi joissain laitteissa on sähkötoimisia pienhiukkassuodattimia ja hajun poistoon tarkoitettuja erikois- suodattimia. Lämmönvaihtimeen saattaa kertyä epäpuhtauksia useiden vuosien kuluessa. Suodattimien säännöllinen ja huolellinen puhdistus vähentää läm- mönvaihtimeen pääsevän epäpuhtauden määrää merkittävästi, mikä vähentää lämmönvaihtimen homehtumisriskiä. Ilmalämpöpumpun sisäyksikön läpi virtaa satoja kuutioita ilmaa tunnissa. Siihen perustuu ilmalämpöpumpun tehokas il-
8
mansuodatus, mutta toisaalta vaarana on lämmönvaihtimen homehtumisen yh- teydessä tehokas epäpuhtauksien leviäminen sisäilmaan. Suodattimien huolel- lisella puhdistamisella saadaan sisäilman hiukkaspitoisuus alenemaan ja pa- rannettua sisäilman laatua. Jos puhdistaminen laiminlyödään, voi seurauksena olla sisäilman laadun heikentyminen.
Sisäilman jäähdytys muuttaa ulkovaipan rakenteisiin kohdistuvaa vesihöyryn diffuusiovirtaa. Muuttuvia tekijöitä ovat diffuusiovirran suuruus ja suunta. Asuin- rakennusta jäähdytettäessä diffuusiovirran suunta muuttuu, normaalista tilan- teesta poiketen, ulkoa sisälle päin. Seurauksena voi olla suhteellisen kosteuden nousu rakenteen tietyissä kerroksissa, mikä altistaa rakenteen homeenkasvulle.
Homekasvuston syntymisen edellytyksenä on riittävän korkea lämpötila, ravin- teet ja kosteus. Lisäksi olosuhteiden on jatkuttava määrätyn ajanjakson verran.
Kesäaikana rakenteen lämpötila on riittävän korkea homeen kasvun kannalta.
Kesäkauden lämpötiloissa homeen kasvun alkamiseen tarvittava aika on suh- teellisen lyhyt verrattuna talviaikaan. Jos vesihöyryn diffuusiovirta nostaa ra- kennekerrosten suhteellista kosteutta riittävästi ja riittävän pitkään, on raken- teen homehtuminen mahdollista. Rakenteiden homehtumista ei yleisesti ottaen voi sallia, vaikka homevauriosta aiheutuneeseen sisäilmaongelmaan vaikuttaa muun muassa rakenteiden tiiviys. Yleinen olettama on, että homekasvuston ai- heuttamat päästöt siirtyvät sisäilmaan, jos niitä esiintyy rakenteissa. Jäähdytyk- sen aiheuttaman käänteisen vesihöyryn diffuusiovirran takia voidaan olettaa, et- tä sillä on vaikutus ulkoseinärakenteiden homehtumisriskiin.
2.2 Jäähdytys ja sisäilmastotekijät
Asunnon ja muiden oleskelutilojen terveellisyyteen ja viihtyisyyteen vaikuttavat fysikaaliset olot sekä kemialliset ja mikrobiologiset epäpuhtaudet. Fysikaaliset olot muodostuvat sisäilman lämpötilasta ja kosteudesta, melusta, ilman laadus- ta, säteilystä ja valaistuksesta. (Asumisterveysopas 2008.)
Ihmisen kokemaan lämpöaistimukseen vaikuttavat huoneilman lämpötila, läm- pösäteily, ilman virtausnopeus, kosteus, vaatetus ja toiminnan laatu (Asumister-
9
veysopas 2008). Lämpöaistimus syntyy ihmisen kehon ja ympäristön välisestä lämpöenergian siirrosta. Lämpöenergian siirtymismuodot ovat johtuminen, kon- vektio ja säteily. Ympäristö vaikuttaa kehoon kaikilla lämmönsiirtymisen muo- doilla ja lisäksi aineen olomuodon muutoksien kautta. Aineen olomuodon muu- toksessa sitoutuu tai vapautuu lämpöenergiaa, mikä voidaan havaita esimerkik- si iholta haihtuvan kosteuden viilentävänä vaikutuksena.
Sisäilman kosteus vaikuttaa lämpöaistimukseen, vaikka varsinaista kosteutta tuntevaa aistia ei ole. Etenkin hyvin korkeat ja alhaiset suhteellisen kosteuden arvot ovat aistittavissa tuntemuksina iholla, limakalvoilla ja hengityselimissä.
Kostea ja lämmin ilma aistitaan yleensä epäpuhtaampana (tunkkaisempana) kuin kuiva ja viileä ilma. Ulkoilman suhteellinen kosteus on Suomessa lähes ai- na melko korkea. Kesällä on myös sisällä kosteaa, mutta talvella suhteellinen kosteus saattaa lämmitetyissä tiloissa laskea 10…20 %:iin. Alhainen suhteelli- nen kosteus saattaa aiheuttaa limakalvojen kuivumista ja sen mukanaan tuo- maa ärsytysoireilua. Ilman suhteellisella kosteudella on myös välillisiä vaikutuk- sia. Alhainen suhteellinen kosteus lisää ilman pölyisyyttä ja staattista sähköi- syyttä sekä heikentää paperi- ja tekstiilikuitujen lujuutta. Korkea suhteellinen kosteus vähentää pölyisyyttä, sillä ilmassa leijuvat hiukkaset muodostavat täl- löin suurempia partikkeleita, jotka laskeutuvat ilmasta pinnoille. Korkea kosteus voi lisätä eräiden materiaalien epäpuhtauspäästöjä. Suhteellisella kosteudella on vaikutusta mikrobien kasvuun ja leviämiseen. Huonepölypunkit viihtyvät ja li- sääntyvät yli 50 %:n suhteellisessa kosteudessa. Bakteerien ja homesienten li- sääntymisraja vaihtelee lajista riippuen ja on yleensä 60…70 %. Erityisen haital- lista voi olla sisäilman kosteuden kondensoituminen kylmille pinnoille.(LVI 05- 10417 2007.)
Kuvasta 1 ilmenee sisäilman suhteellisen kosteuden ihannealue.
Kuva 1. Yhteenveto ilman k
Sisäilman kosteuden tulisi olla noin 3
Ilman suhteellisella kosteudella on merkittävä vaikutus lämpötilan kokemiseen.
Korkea ilman kosteus korostaa lämpötilan vaikutusta lämpöaistimuksessa. S ma lämpötila tuntuu
Kuvassa 2 on esitetty
lan ja suhteellisen kosteuden yhteisvaikutuksena.
10
. Yhteenveto ilman kosteuden vaikutuksista.(Puuinfo Oy 2009
euden tulisi olla noin 30—55 %.
Ilman suhteellisella kosteudella on merkittävä vaikutus lämpötilan kokemiseen.
Korkea ilman kosteus korostaa lämpötilan vaikutusta lämpöaistimuksessa. S ma lämpötila tuntuu kuumemmalta, jos ilman kosteus on korkea.
on esitetty ihmisryhmän kokema lämpötilan viihtyisyys ilman lämpöt lan ja suhteellisen kosteuden yhteisvaikutuksena.
(Puuinfo Oy 2009).
Ilman suhteellisella kosteudella on merkittävä vaikutus lämpötilan kokemiseen.
Korkea ilman kosteus korostaa lämpötilan vaikutusta lämpöaistimuksessa. Sa- kuumemmalta, jos ilman kosteus on korkea.
kokema lämpötilan viihtyisyys ilman lämpöti-
11
Kuva 2 Lämpötilan ja kosteuden yhteisvaikutus kesäolosuhteissa. (Ilmatieteen laitos 2011)
Kuvan 2 kaavio on laadittu ihmisryhmän koeolosuhteissa määritettyjen koke- musten perusteella (Ilmatieteen laitos 2011). Kuviosta käy ilmi ilman suhteelli- sen kosteuden vaikutus lämpöaistimukseen. Kesällä pelkkä ilman kuivatus voi muuttaa lämpöaistimuksen lämpimästä mukavaan. Kuvion perusteella ilma, jonka suhteellinen kosteus on 45 % ja lämpötila noin 23 °C, on mukavan ja lämpimän rajalla. Toisaalta ilma, jonka suhteellinen kosteus on yli 60 % ja läm- pötila 25 °C, on testiryhmän mukaan koettu kuumaksi.
Lämpöolot vaikuttavat suoraan viihtyvyyteen. Pitkäaikainen veto ja viileys voivat aiheuttaa terveyshaittoja. Lattian alhainen pintalämpötila voi olla lapsille ja ai- kuisillekin haitallinen. Haitan suuruus riippuu vaatetuksesta, lattiamateriaalin lämmönjohtavuudesta, kylmistä lattian suuntaisista virtauksista ja altistuksen kestosta. Seinä- ja kattopintojen viileys ei yleensä aiheuta terveyshaittaa. Suu- ret lämpötilaerot laajoilla seinäpinnoilla voivat kuitenkin aiheuttaa lämpösäteilyn epäsymmetrisyyttä. (Asumisterveysohje 2003.)
12
Huonelämpötilan valinnassa käytetään ns. operatiivista lämpötilaa, joka vastaa lämpöaistimusta, kun ihminen on tasalämpöisessä ja vedottomassa huoneessa.
Operatiivisen lämpötilan avulla otetaan huomioon muun muassa lämpösäteilyn ja konvektion vaikutus.
Operatiivinen lämpötila on sellaisen tasalämpöisen tilan lämpötila, jossa säteily ja konvektio-lämpövirtojen yhteisvaikutus on sama kuin tarkasteltavassa tilassa.
Se on lähellä ilman lämpötilan ja keskimääräisen säteilylämpötilan keskiarvoa.
Käytännössä operatiivinen lämpötila määritetään pallolämpömittarilla, koska keskimääräisen säteilylämpötilan määrittäminen mittaamalla vaatii erikoismitta- rin. Pallolämpötila on halkaisijaltaan 150 millimetrisen mustan pallon keskipis- teeseen sijoitetun lämpömittarin lukema. Pallolämpötila ja operatiivinen lämpöti- la ovat samat ilman keskinopeuden ollessa noin 0,1 m/s.(LVI 70-40027 1993.) Operatiivista lämpötilaa käytetään huonelämpötilan määrittämiseen usein sil- loin, kun huoneessa on ilmanlämpötilaan nähden suuria lämpötilaltaan poik- keavia pintoja kuten ikkunoita (Asumisterveysohje 2003). Operatiiviselle huone- lämpötilalle on annettu ohjearvoja sisäilmaluokitus 2008:ssa.
Sisäilmastoluokituksen tarkoitus on toimia rakennusalan toimijoiden apuna, kun pyrkimys on rakentaa terveellisiä ja viihtyisiä rakennuksia. Luokitus antaa hyvän sisäilmaston tavoite- ja suunnitteluarvot sisäilmastotekijöille. Sisäilmastoluoki- tuksessa rakennuksen sisäilmasto on jaoteltu kolmeen luokkaan: S1,S2,S3.
Luokkien kuvaukset ovat parhaasta huonoimpaan: yksilöllinen, hyvä ja tyydyttä- vä. (LVI 05-10440 2008.)
Taulukossa 1 on operatiivinen lämpötila sisäilmastoluokittain.
Taulukko 1 Huonelämpöt
Suure tu tarkoittaa ulkolämpötilan 24 tunnin säähavaintopaikalla
säilmastoluokissa S1 ja S2 sisäilman operatiivisen 24,5 °C.
Vedon tunne aiheutuu keskimääräistä suuremmasta
don tunteeseen vaikuttavat lämpötila, lämpösäteily ja ilman liike. Ihminen aistii herkemmin vetoa, jos huoneen lämpötila on alle optimitason. Tällöin vetoaist mukseen ei tarvita huomattavaa ilman liikettä.
västi optimiarvon yläpuolella ilmavirtaus tehostaa kea haihtumista iholta, mikä parantaa viihtyisyyttä.
essa lämmön siirtyminen tehostuu ja vedon tunne vaikuttaa ilman liikkeen vaihtelu. Mitä suurempi don tunne syntyy.
tapauksessa operatiivista lämpötilaa.
13
Huonelämpötilan tavoitearvot.(LVI 05-10440 2008).
tarkoittaa ulkolämpötilan 24 tunnin liukuvaa keskiarvoa säähavaintopaikalla (LVI 05-10440 2008). Ulkolämpötilan ollessa yli 20
S1 ja S2 sisäilman operatiivisen lämpötilan tavoitearvo on
Vedon tunne aiheutuu keskimääräistä suuremmasta lämmönsiirrosta iholla. V don tunteeseen vaikuttavat lämpötila, lämpösäteily ja ilman liike. Ihminen aistii herkemmin vetoa, jos huoneen lämpötila on alle optimitason. Tällöin vetoaist mukseen ei tarvita huomattavaa ilman liikettä. Toisaalta lämpötilan oll
yläpuolella ilmavirtaus tehostaa lämmönsiirtoa ja ennen iholta, mikä parantaa viihtyisyyttä. Ilman keskinopeuden kasv siirtyminen tehostuu ja vedon tunne syntyy herkemmin. Samoin
kkeen vaihtelu. Mitä suurempi vaihtelu on, sitä helpommin v (LVI 70-40027 1993.) Huonelämpötilalla tarkoitetaan tässä tapauksessa operatiivista lämpötilaa.
2008).
liukuvaa keskiarvoa lähimmällä Ulkolämpötilan ollessa yli 20 °C si-
lämpötilan tavoitearvo on
lämmönsiirrosta iholla. Ve- don tunteeseen vaikuttavat lämpötila, lämpösäteily ja ilman liike. Ihminen aistii herkemmin vetoa, jos huoneen lämpötila on alle optimitason. Tällöin vetoaisti-
Toisaalta lämpötilan ollessa sel- lämmönsiirtoa ja ennen kaik- Ilman keskinopeuden kasva- syntyy herkemmin. Samoin vaihtelu on, sitä helpommin ve- Huonelämpötilalla tarkoitetaan tässä
Taulukosta 2 ilmenee ilman liikenopeuden tavoitearvot sisäilmaluokituksen m kaisesti.
Taulukko 2 Ilman liikenopeud
Suure tilma tarkoittaa liikkuvan ilman lämpötilaa
Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D2 liitteessä 1 on esitetty kuvaaja ilman liikenopeuden ja
vetokäyrät, jotka on numer
Kuva 3 Ilman liikenopeuden ja lämpö 2010)
14
Taulukosta 2 ilmenee ilman liikenopeuden tavoitearvot sisäilmaluokituksen m
Taulukko 2 Ilman liikenopeuden suositusarvot. (LVI 05-10440
ttaa liikkuvan ilman lämpötilaa (LVI 05-10440
Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D2 liitteessä 1 on esitetty kuvaaja ilman liikenopeuden ja lämpötilan yhteisvaikutuksesta. Kuvasta 3 ilmenee ns.
vetokäyrät, jotka on numeroitu yhdestä viiteen (RaKMk D2 liite 1.2010).
Kuva 3 Ilman liikenopeuden ja lämpötilan yhteisvaikutus. (RakMk D2
Taulukosta 2 ilmenee ilman liikenopeuden tavoitearvot sisäilmaluokituksen mu-
10440 2008).
10440 2008).
Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D2 liitteessä 1 on esitetty kuvaaja lämpötilan yhteisvaikutuksesta. Kuvasta 3 ilmenee ns.
liite 1.2010).
tilan yhteisvaikutus. (RakMk D2 liite 1.
Viihtyisyys lisääntyy
Kuvassa 4 on kaavioesitys erään pöpumpun sisäyksikön
tiona, kun laitetta käytetään jäähdytykseen.
Kuva 4 Ilman virtausnopeus jäähdytysk PKVP-E/PAVP-E Engineering Data Book
Kuvasta 4 nähdään ilman liikenopeus i
dessä. Jäähdytyskäytössä ilmavirta suunnataan vaakasuuntaan. Sisäyksikön läheisyydessä ilman liikenopeuden
Jäähdytyksen tarkoituksena tehdä sisäilmaston lämpöoloista miellyttävät. Ilm lämpöpumpuilla saadaan sisäilman lämpötila ja suhteellinen kosteus tarvittae sa alenemaan, mikä lisää lämpöolojen viihtyisyyttä ja parantaa
Sisäyksiköiden sijoituksessa tulee huomioida vaikutus lämpöolojen tasaisu teen ja ilman liikenopeuteen, jotta viileän ilman puhalluksesta ei aiheudu terv yshaittoja ja vetoisuuden tunnetta.
15
htyisyys lisääntyy vetokäyrän numeron muuttuessa pienemmäksi
on kaavioesitys erään - tyypillisesti pientaloon soveltuvan
pöpumpun sisäyksikön aiheuttamasta ilmavirran nopeudesta etäisyyden fun laitetta käytetään jäähdytykseen.
Ilman virtausnopeus jäähdytyskäytössä. (Toshiba Super Daiseikai E Engineering Data Book 2009).
nähdään ilman liikenopeus ilmalämpöpumpun sisäyksikön läheisy dessä. Jäähdytyskäytössä ilmavirta suunnataan vaakasuuntaan. Sisäyksikön läheisyydessä ilman liikenopeuden tavoitearvot ylittyvät.
Jäähdytyksen tarkoituksena tehdä sisäilmaston lämpöoloista miellyttävät. Ilm lämpöpumpuilla saadaan sisäilman lämpötila ja suhteellinen kosteus tarvittae sa alenemaan, mikä lisää lämpöolojen viihtyisyyttä ja parantaa
Sisäyksiköiden sijoituksessa tulee huomioida vaikutus lämpöolojen tasaisu teen ja ilman liikenopeuteen, jotta viileän ilman puhalluksesta ei aiheudu terv yshaittoja ja vetoisuuden tunnetta.
tuessa pienemmäksi.
tyypillisesti pientaloon soveltuvan - ilmaläm- ilmavirran nopeudesta etäisyyden funk-
(Toshiba Super Daiseikai
lmalämpöpumpun sisäyksikön läheisyy- dessä. Jäähdytyskäytössä ilmavirta suunnataan vaakasuuntaan. Sisäyksikön
Jäähdytyksen tarkoituksena tehdä sisäilmaston lämpöoloista miellyttävät. Ilma- lämpöpumpuilla saadaan sisäilman lämpötila ja suhteellinen kosteus tarvittaes- sa alenemaan, mikä lisää lämpöolojen viihtyisyyttä ja parantaa asumisterveyttä.
Sisäyksiköiden sijoituksessa tulee huomioida vaikutus lämpöolojen tasaisuu- teen ja ilman liikenopeuteen, jotta viileän ilman puhalluksesta ei aiheudu terve-
16
3 LASKENTAMENETELMÄ
3.1 Rakenteen lämpötila
3.1.1 Lämpöenergian siirtyminen
Lämpöenergian siirtymismuodot ovat johtuminen, säteily ja ainevirtaus eli kon- vektio (Björkholtz 1997).
Lämpöenergia mallinnetaan ainehiukkasten eli partikkelien liike-energiaksi. Mitä korkeampi lämpötila on sitä enemmän partikkeleilla on liike-energiaa. Liikkues- saan partikkelit törmäilevät toisiinsa ja samalla siirtyy energiaa. Lämpöenergian siirtymismuoto on tällöin johtuminen.
Konvektiossa partikkelit siirtyvät aineen virtauksen mukana paikasta toiseen ja samalla siirtyy lämpöenergiaa. Lämpöenergia siirtyy konvektiolla esimerkiksi il- man tai veden virratessa.( RT 05-10710 1999.)
Lämpösäteily on kuumasta tai lämpimästä kappaleesta, esimerkiksi auringosta tai tulisijasta, lähtevää sähkömagneettista infrapunasäteilyä, joka useimmissa aineissa absorboituu ja muuttuu pääosaltaan lämmöksi.(RT 055.30 1976.)
Lämpötilaero seinärakenteen sisä- ja ulkopuolen välillä muodostaa potentiaa- lieron. Potentiaaliero saa aikaan lämpövirran, jonka suunta on suuremmasta po- tentiaalista pienempään. (Björkholtz 1997.)
17 3.1.2 Materiaalien lämmönjohtavuus
Tiiviissä ulkoseinärakenteessa lämpöenergia siirtyy pääasiassa johtumalla. Siir- tyvän lämpöenergian määrä ajan yksikköä kohden on riippuvainen materiaalis- ta. Materiaalin lämmönjohtavuus on tätä ilmiötä kuvaava suure. Lämmönjohta- vuuden tunnus on λ ja yksikkö on W/mK. Lämmönjohtavuuden käänteinen suu- re on lämmönvastus, joka kuvaa materiaalin kykyä vastustaa lämpöenergian siirtymistä.
Käytännössä materiaalin lämmönjohtavuus määritetään koejärjestelyllä, jossa mitataan koekappaleen läpi kulkeva lämpövirta tietyllä lämpötilaerolla ja tietyis- sä olosuhteissa. Mitattu lämpövirta koostuu kaikista lämmönsiirtymismuodoista.
Pääasiassa kysymyksessä on johtuminen. Lämpövirran mittaaminen on haas- teellista ja mittaustulokset ovat epätarkkoja. Erityyppiset materiaalit vaativat eri- laiset mittausjärjestelyt.
Tuloksien lähtökohtana on vertailutaso, jonka Euroopassa määrittelee IRRM (Institute of reference materials and measurements). Mittauslaitteistot kalibroi- daan hyväksytyillä materiaaleilla, joiden ominaisuudet ovat tiedossa. Kalibroin- nin jälkeen laitteistolla tehdään koekappaleen mittaukset. Koska lämmönjohta- vuuden arvoon vaikuttaa, missä olosuhteissa mittaukset on suoritettu, ilmoite- taan tulokset tietyin viittauksin. (Vinha ym. 2005.)
Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvot voidaan johtaa ilmoitetuista arvoista, jot- ka perustuvat tuotteesta tehtyihin mittauksiin. Jos suunnittelun mukaiset olosuh- teet poikkeavat ilmoitettujen arvojen olosuhteista, tiedot on muunnettava suun- nittelun mukaisiin olosuhteisiin sopiviksi. Materiaaleille, joille ei ole saatavilla mittaustuloksia, suunnitteluarvot voidaan katsoa taulukoista.(SFS-EN ISO 10456 +AC 2009.)
Ilmoitetun lämmönjohtavuuden λD arvot perustuvat yleensä 10°C keskilämpöti- lassa suoritettuihin mittauksiin ja niiden tilastolliseen käsittelyyn (RakMk C4 luonnos 2012).
18
Suomen rakentamismääräyskokoelman osan C4,lämmöneristys, vuoden 2012 luonnoksessa on otettu käyttöön lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo λU. Suunnitteluarvo λU vastaa aiemmin käytössä ollutta λd-arvoa ja korvaa ns. nor- maalisen lämmönjohtavuuden arvon, jota on aiemmin käytetty rakentamismää- räyskokoelman mukaisissa lämpöteknisissä laskelmissa. Suunnitteluarvo λU si- sältää mittaustulosten hajonnan sekä lämpötilan, kosteuspitoisuuden ja ikään- tymisen vaikutukset lämmönjohtavuuteen. Rakenteen U-arvon laskemiseksi on lisäksi otettava huomioon asennuksen epäideaalisuudet, ilmanläpäisy, säännöl- liset kylmäsillat ja mahdolliset ilmaraot. Edellä mainitut tekijät huomioidaan lo- pullisessa U-arvossa korjaustermillä ∆U. Lopullista U-arvoa, Uc ,käytetään ra- kennusosien määräysten mukaisuuden osoittamiseen ja rakennuksen energi- ankulutuslaskelmiin. (RakMk C4 luonnos 2012.)
3.1.3 Rakenteen lämpötilajakauma
Lämpötilajakauman laskennassa rakenteen eri kerrokset mallinnetaan vastuksi- na, jotka vastustavat lämpövirtaa. Lämpötila muuttuu rakenteen paksuuden funktiona. Kerroksellisen rakenteen eri materiaalien lämpötilojen kuvaajat yhty- vät murtoviivaksi. Lämmönvastus lasketaan kaavalla 1. (Rafnet-ryhmä 2004.)
= (1)
Kaavan muuttuja d on rakennekerroksen paksuus metreinä.
Rakenteen lämpötilajakauma määritetään kaavalla 2.(Rafnet-ryhmä 2004.)
= −∑
− (2)
Lämpötilajakauman laskemiseksi tarvitaan lähtötiedoiksi sisä- ja ulkolämpötila ja materiaalikohtaiset lämmönjohtavuudet. Niistä määritetään lämpötilaero, koko- naislämmönvastus ja lämmönvastus rakenteen tietyssä kohdassa. Kokonais- lämmönvastus on kerroksien lämmönvastusten summa lisättynä pintavastuksil-
19
la. Pintavastus kuvaa lämpötilan muutosta ilman ja kiinteän aineen välillä.
(Björkholtz 1997.)
3.2 Rakenteen kosteus 3.2.1 Ilman kosteus
Ilma on kuivan ilman ja vesihöyryn seos. Kuiva ilma sisältää noin 78 tilavuus- prosenttia typpeä, 21 % happea ja yhden prosentin argon-kaasua. (Björkholtz 1997.)
Ilman kosteudella tarkoitetaan ilman sisältämän vesihöyryn määrää. Ilman kos- teudesta puhuttaessa on erotettava kaksi eri käsitettä: absoluuttinen kosteus ja suhteellinen kosteus. Absoluuttinen ilman kosteus ilmoittaa ilman sisältämän vesihöyryn massan ja tilavuuden suhteen. Suhteellinen ilman kosteus on pro- senttiosuus ilman sisältämästä kyllästysvesihöyrypitoisuudesta. Kyllästys- vesihöyrypitoisuus tarkoittaa suurinta mahdollista ilman sisältämää vesihöyry- määrää. Ilman kyllästysvesihöyrypitoisuus on riippuvainen lämpötilasta. Sama absoluuttinen kosteus eri lämpötiloissa merkitsee siis erisuuria suhteellisen kos- teuden arvoja. Ilman kyllästysvesihöyrypitoisuus, ilmoitettuna osapaineen avul- la, voidaan laskea kaavalla 3. (Björkholtz 1997.)
= 101,325 × 10× , !"#, $ %&,'()*×+,!×-'×./- (3)
Koska laskentakaava on empiirinen, voi eri lähteistä saaduilla arvoilla olla hie- man eroja. Kaavassa ilman lämpötilan yksikkö on K.
3.2.2 Vesihöyryn osapaine
Ilma on seoskaasu, jonka kokonaispaine on sen sisältämien kaasujen paineiden summa.
0123 = 45660 + 83660+ 39:;<… + >08ö595 = 030123+ >08ö595 (4)
20
Vesihöyrykaasun paineen osuutta ilman paineesta kutsutaan vesihöyryn osa- paineeksi.
Osapaineen suuruus määräytyy sen mukaan, kuinka suuri on yksittäisen kaa- sun ainemäärä systeemin tilavuudessa tietyssä lämpötilassa. Vesihöyryä voi- daan käsitellä ideaalikaasuna, jolle pätee kineettisen kaasuteorian mukainen kaava 5. (Björkholtz 1997.)
@ = AB =2CB (5)
Tilavuutta voidaan tarkastella yhtä tilavuusyksikköä kohden. Suure m on vesi- höyryn massa. Vesihöyryn moolimassa, M, on 0,01802 kg/mol. Lämpötilan il- moittamiseen käytetään termodynaamista lämpötila-asteikkoa. Suure R on ylei- nen kaasuvakio 8,3143 J/molK. (Björkholtz 1997.) Vesihöyryn osapaineelle saadaan kaava 6.
>08ö595 =C 2-
DEFGHöIJIK = LC -
DEFGHöIJI = LB ∙ 461,392896 S/UVW (6)
X>08ö595Y =:∙
Z [\]∙^∙_
`a
[\]∙2! = 2b! =c22! =2c#= de (7) Kaavasta 6 nähdään vesihöyrypitoisuuden eli tiheyden ja osapaineen yhteys.
Mitä suurempi on tiheys eli vesihöyrypitoisuus ja lämpötila, sitä suurempi on ve- sihöyryn osapaine. Vesihöyryn osapaine tietyssä lämpötilassa on aina muun- nettavissa tiheydeksi. Diffuusiovirtalaskelmat voidaan suorittaa joko osapaineen tai tiheyden avulla, mutta niitä ei tule sekoittaa keskenään. Laskelmissa tarvitta- vat lähtötiedot on joko etsittävä tai muunnettava valinnan mukaiseksi. Liitteessä numero 0 on esitetty laskentaesimerkkejä yksiköiden muunnoksiin liittyen. Täs- sä opinnäytetyössä laskelmat on suoritettu vesihöyryn osapaineiden avulla teki- jän henkilökohtaisen mieltymyksen takia.
21 3.2.3 Osapainelaki
Englantilainen kemisti ja fyysikko John Dalton keksi vuonna 1802 ns. kaasujen osapainelain. Kaasuseoksessa yksittäisten kaasujen pitoisuuserot pyrkivät ta- soittumaan siten, että kaasuseos on homogeeninen. Ilma on seoskaasu, jossa yksittäisen vesihöyrykaasun pitoisuuserot pyrkivät tasoittumaan. Tämän tyyp- pistä kaasumolekyylien siirtymistä kutsutaan diffuusioksi. Vesihöyryn diffuusion liikkeelle paneva voima on vesihöyryn osapaine-ero, joka muodostaa potentiaa- lieron kaasuseokseen. Diffuusion suunta on suuremmasta potentiaalista pie- nempään. (RT 05-10710 1999.) Asuinrakennuksen sisäilmaa ja sitä ympäröi- vää ulkoilmaa voidaan käsitellä yhtenäisenä seoskaasuna, jossa pitoisuuserot tasoittuvat ulkovaipan rakenteiden läpi.
3.2.4 Vesihöyryn diffuusio rakenteen läpi
Ulko- ja sisäilman vesihöyrynosapaineiden ollessa eri suuret, alkavat pitoisuus- erot tasoittua rakenteen läpi. Ulkoseinärakenne pyrkii vastustamaan tasoittumis- ta. Jatkuvuustilassa kosteusvirta asettuu tasapainoon aiheuttaen rakenteeseen tietyt kosteusolot. Kosteusolot ovat riippuvaisia rakenteen kerroksien lämpöti- loista ja rakennekerroksien kyvystä vastustaa vesihöyryn kulkeutumista.
3.2.5 Vesihöyrynvastus ja -läpäisevyys
Vesihöyrynläpäisevyys kuvaa nimensä mukaisesti materiaalin kykyä läpäistä vesihöyryn diffuusiovirtaa. Vesihöyrynvastus kuvaa, kuinka hyvin materiaali vas- tustaa diffuusiovirtaa. Vesihöyrynvastus määritellään vesihöyrynläpäisevyyden avulla kaavan 8 mukaisesti. (Björkholtz 1997.)
f6 =g
h (8)
Materiaalin vesihöyrynläpäisevyys on i6 osapaineen avulla lausuttuna. Kerrok- sen paksuus on d.
22 3.2.6 Vesihöyryn diffuusiovastuskerroin
Diffuusiovastuskerroin on ilman vesihöyrynläpäisevyyden suhde materiaalin lä- päisevyyteen (SFS-EN 12086).
j =g gG][k
[kEJGkk]G (9)
Seisovan ilman vesihöyrynläpäisevyytenä voidaan käyttää arvoa 195x10-12 kg/(msPa).(RIL 107-2000, 19). Yhtälöstä voidaan johtaa vesihöyrynvastus kaa- vaa 9 apuna käyttäen seuraavasti.
f6 = g
h,[kEJGkk]G = lh,G][k
m
=g n
h,G][k (10)
3.2.7 Sd-arvo
Sd-arvo on yksi tapa ilmoittaa materiaalin vesihöyrynvastus. Sd-arvolla ilmoite- taan yleensä ohuiden kerrosten vesihöyrynvastus. Sd-arvon määrittelee kaava 11.(SFS-EN 12086.)
o = jp (11)
Sd-arvo kuvaa materiaalin vesihöyrynvastusta vastaavan seisovan ilmakerrok- sen paksuutta. Sd-arvon yksikkö on metri.
3.2.8 Rakenteen kosteusjakauma
Kosteusjakauman laskennassa käytetään samaa vastusajattelua kuin lämpötila- jakauman määrittämisessä. Osapainejakauma määritetään kaavalla 12. (Raf- net-ryhmä 2004.)
= −∑ q∑ qh
h − (12)
23
Lämpötilajakauman perusteella lasketaan rakenteelle vesihöyryn kyllästyskäyrä.
Vesihöyryn kyllästyskäyrä on riippuvainen rakenteen kunkin kohdan lämpötilas- ta. Suhteellisen kosteuden kuvaajan muodostaa osapainejakauman ja vesi- höyrynkyllästyskäyrän suhde.
r =66D
` (13)
Kosteusjakauma on lähtökohtana tiivistymis- ja homeriskin arvioinnille.
3.3 Homeen kasvun laskennallinen mallintaminen
Homeen kasvun laskennallista mallintamista on tutkittu Tampereen teknillisen yliopiston ja Valtion teknisen tutkimuskeskuksen tutkimushankkeessa ” Raken- teiden kosteusteknisen toimivuuden ja homeriskin laskennallinen arviointi.”
Laskentamalli on johdettu vakio-olosuhteissa tehdyillä laboratoriokokeilla. Ko- keet on tehty pienillä männyn ja kuusen pintapuukappaleilla. Laskentamallissa homeen kasvulle otollisia olosuhteita kuvataan kaavalla 14.
st904 = {v,)&4[Gwx* %, < 4z) ℃!%,+&4#.+4%+, < 4}) ℃ (14)
Suhteellisen kosteuden ollessa käyrän rajojen alapuolella homeen kasvu pysäh- tyy tai hidastuu merkittävästi. Yli 20 ºC lämpötiloissa kriittinen suhteellisen kos- teuden raja-arvo on 80 %.
Homeen kasvun alkamisen tarvitsemaa aikaa kuvataan kaavalla 15.
2= ,&* ./ 4+,' ./ v%,+~,%&&,) (15)
Kaavan tuloksena saadaan homeen kasvun alkamisaika viikkoina. Tekijä W on 0, kun tarkasteltava materiaali on mäntyä. Tekijä SQ on 0, kun materiaali on sahapintainen. Kaava 15 yksinkertaistuu kaavan 16 muotoon.
2 = ,&* ./ 4+,' ./ v%&&,) (16)
Kuvassa 5 on esitetty homeen kasvun kriittinen aika männyn pintap lämpötiloissa ja suhteellisessa kosteudessa. (RT 05
Kuva 5 Homeen kasvun alkamiseen vaikuttava kriittinen aika
Kuvasta 5 voidaan havaita homeenkasvun alkamisen tarvitseman ajan tävä lyheneminen suuressa ilmankosteudessa.
pi verrattuna suhteelliseen kosteuteen.
kasvu voi alkaa jo yhden viikon keston kuluttua.
3.4 Tulosten esittäminen
Tuloksena laskennallisista tarkasteluista saadaan teusjakauma määrätyissä sisä
kauden kosteusteknistä käyttäytymistä kuvataan rakennekohtaisilla havainno listavilla esimerkkilaskelmilla. Esimerkkilaskelmista tehdään laskelmien loppuun yhteenveto.
24
on esitetty homeen kasvun kriittinen aika männyn pintap lämpötiloissa ja suhteellisessa kosteudessa. (RT 05-10710. 1999 ).
Homeen kasvun alkamiseen vaikuttava kriittinen aika
voidaan havaita homeenkasvun alkamisen tarvitseman ajan lyheneminen suuressa ilmankosteudessa. Lämpötilan vaikutus on piene pi verrattuna suhteelliseen kosteuteen. Suuressa ilman kosteudessa homeen kasvu voi alkaa jo yhden viikon keston kuluttua.
osten esittäminen
Tuloksena laskennallisista tarkasteluista saadaan rakenteen lämpötila
teusjakauma määrätyissä sisä- ja ulkoilmaolosuhteissa. Rakenteen jäähdyty kauden kosteusteknistä käyttäytymistä kuvataan rakennekohtaisilla havainno listavilla esimerkkilaskelmilla. Esimerkkilaskelmista tehdään laskelmien loppuun
on esitetty homeen kasvun kriittinen aika männyn pintapuussa eri 10710. 1999 ).
Homeen kasvun alkamiseen vaikuttava kriittinen aika
voidaan havaita homeenkasvun alkamisen tarvitseman ajan merkit- Lämpötilan vaikutus on pienem- Suuressa ilman kosteudessa homeen
rakenteen lämpötila- ja kos- Rakenteen jäähdytys- kauden kosteusteknistä käyttäytymistä kuvataan rakennekohtaisilla havainnol- listavilla esimerkkilaskelmilla. Esimerkkilaskelmista tehdään laskelmien loppuun
25
4 ULKOSEINÄRAKENTEIDEN KOSTEUSTEKNINEN TOIMINTA
4.1 Suunnittelun lähtökohta
Ulkoseinärakenteiden rakennusfysikaalisten suunnittelun lähtökohta on perin- teisesti ollut, että sisällä on korkeampi lämpötila kuin ulkona. Diffuusiovirran suunta on tällöin sisältä ulospäin, joitakin poikkeuksia lukuun ottamatta. Lämpö- tilan laskiessa rakenteen ulkopintaan päin siirryttäessä pienenee myös vesi- höyryn kyllästysosapaine. Tästä syystä kerrosrakenteen kerroksien vesihöyryn- vastus suunnitellaan vähenemään ulospäin mentäessä, jotta diffuusion vaiku- tuksesta siirtyvä kosteus pääsee purkautumaan ulkoilmaan. Vesihöyryn läpäis- tessä hyvin seinärakenteen ulko-osat ei vesihöyryn osapaine pääse nousemaan lähelle kyllästysosapainetta.
4.2 Ulkoseinärakenteet toimintaperiaatteittain 4.2.1 Höyrynsululliset rakenteet
Höyrynsulullisen ulkoseinärakenteen osia ovat sisäverhous, höyrynsulku, eriste, tuulensuoja, tuuletusväli ja ulkoverhous. Kosteustekninen tarkastelu voidaan ra- jata käytännössä sisäverhouksen ja tuulensuojan välille. Tuuletusvälissä olete- taan vallitsevan samat olosuhteet kuin ulkoilmassa. Ohuella sisäverhouksella ei ole suurta vaikutusta lämpötila- ja osapainejakaumaan. Osapainejakauman suurin muutos on höyrynsulkukerroksen kohdalla, minkä seurauksena talviolo- suhteissa uloimpien kerrosten osapaine saadaan riittävän alhaiseksi. Höyryn- sulku sijaitsee ulkoseinärakenteen lämpimän sisäpinnan läheisyydessä ja se on tyypillisimmin ohut muovikalvo. Höyrynsulkukalvojen Sd-arvot vaihtelevat noin 30:stä 100:aan metriin riippuen tuotteesta. Höyrynsulullisen ulkoseinärakenteen perusperiaatteena on ollut, että sisäosien vesihöyrynvastuksen tulisi olla viisin- kertainen ulko-osiin verrattuna (RakMk C3 1998). Käytännössä suhde on reilusti suurempi käytettäessä muovikalvoja, jotka omaavat suuren vesihöyrynvastuk- sen. Uusimmat tutkimukset osoittavat, että suhde 5:1 ei ole kaikissa tapauksis- sa riittävä. Suhde on riippuvainen pääasiassa rakenteessa käytetystä tuulen-
26
suojasta. (Vinha 2007). Höyrynsulullisen rakenteen yhteydessä käytetään yleensä ei–hygroskooppista eristemateriaalia.
4.2.2 Ilmansululliset rakenteet
Ilmansululla varustettu rakenne on diffuusiovirralle avoin rakenne. Ilmansulku on vesihöyryn diffuusiota läpäisevä kerros, jolla on kuitenkin riittävä vesihöyryn- vastus, ettei kosteusvirta muodostu rakenteelle haitallisen suureksi. Ilmansulku- kerroksena käytetään yleensä erityyppisiä rakennuspapereita. Rakennuspape- reiden Sd-arvot ovat yleensä kahdesta kymmeneen metriin. Ilmansulullisissa ra- kenteissa käytetään usein hygroskooppista eristemateriaalia esimerkiksi sa- hanpurua, selluvillaa ja pellavaeristettä. Ilmansulullinen rakenne mahdollistaa kuivumisen sekä sisään että ulospäin. Hygroskooppinen materiaali kykenee va- rastoimaan kosteutta ja siitä syystä rakenne reagoi viiveellä kosteusolojen muu- toksiin.
4.2.3 Kiviaineiset kerrosrakenteet
Kiviaineisissa kerrosrakenteissa ei ole varsinaista ilman- tai höyrynsulkukalvoa.
Kiviaineisen kerroksellisen ulkoseinärakenteen kerrokset ovat sisäkuori, eriste ja ulkokuori tai -verhous. Osassa rakenteista on tuuletusväli ja tuulensuoja. Ki- viaineinen sisäkuori toimii kosteusteknisesti ilman- ja höyrynsulkuna.
4.2.4 Massiivirakenteet
Massiiviset ulkoseinärakenteet ovat ns. kosteudelle avoimia rakenteita. Raken- ne koostuu pääasiassa yhdestä materiaalista, jolla on tietyt lämpö- ja kosteus- tekniset ominaisuudet. Vesihöyrynvastus kasvaa lineaarisesti sisäpinnasta ul- kopintaan. Materiaalin lämmönjohtavuus ja vesihöyrynvastus mahdollistaa sopi- van lämpötilajakauman, ettei osapainejakauma tavoita kyllästyskäyrää riittävällä marginaalilla. Massiivirakenteella on usein kyky varastoida kosteutta ja kosteu- den kuivuminen on mahdollista sekä sisä- että ulkoilmaan. Esimerkkejä tyypilli- sistä massiivirakenteista ovat hirsiseinät, täystiiliseinät ja höyrykarkaistut kaa- subetoniseinät.
27
5 LASKENNAN OLETUKSET JA RAJAUKSET
5.1 Laskentamenetelmä
Homeen kasvun alkamiselle määritetyt aikatekijät kuvaavat männyn pintapuun homehtumista laboratorio-olosuhteissa. Puupinnalle syntyvän kasvuston tarvit- sema aika vakio-olosuhteissa on lähtökohtana homeen kasvun mallinnuksessa Tampereen teknillisen korkeakoulun ja VTT:n tutkimushankkeessa. Sahatulle mäntypuupinnalle syntyvän homekasvuston alkamisaika on lyhyempi kuin esi- merkiksi kiviainespohjaisella materiaalilla. Menettelyllä päädytään todellisuutta suurempaan riskiarvioon, jos materiaali on muuta kuin sahattua mäntypuuta.
Rakennekerrosten materiaaliarvot oletetaan laskelmissa muuttumattomiksi. To- dellisuudessa materiaalin lämmönjohtavuus ja vesihöyrynvastus ovat riippuvai- sia lämpötilasta ja kosteuspitoisuudesta.
Kosteus- ja lämpötilajakaumien määrittäminen perustuu muuttumattomiin olo- suhteisiin rakenteen eri puolilla ja vesihöyryn diffuusioon. Menetelmä ei huomioi kosteuden muita siirtymismuotoja kuten konvektiota sekä kapillaarista ja paino- voimaista siirtymistä. Sadeveden imeytyminen rakenteeseen on yksi esimerkki kosteuden kapillaarisesta siirtymisestä. Kapillaarisen siirtymisen merkitys on eri- tyisen suuri tuulettumattomissa rakenteissa, joissa ei ole varsinaista rakentees- ta erillään olevaa ulkoverhousta. Diffuusiolla kosteus siirtyy rakenteessa suh- teellisen hitaasti ja määrät ovat pieniä verrattuna esimerkiksi konvektiolla tapah- tuvaan kosteuden siirtymiseen. Laskentamenetelmän oletus muuttumattomista olosuhteista jättää huomioimatta muun muassa lämpökapasiteetin vaikutuksen.
Rakenteen lämpökapasiteetin eli varauskyvyn takia lämpötilojen muutokset ra- kenteessa tapahtuvat viiveellä.
28
5.2 Suomen jäähdytyskauden ilmasto-olosuhteet 5.2.1 Ulkoilman lämpötila
Suomessa ilman lämpötilavaihtelut eri vuodenaikoina ovat erittäin selväpiirteisiä mutta epäsäännöllisiä. Lämpötila riippuu ensi sijassa auringon säteilystä, mutta myös monet paikalliset tekijät, kuten maanpinnan peitteen laatu, esimerkiksi lumi, ruoho tai hiekka, maaston muodot ja vesistöt vaikuttavat alueen lämpöti- laan. (RT 05-10426 1990.)
Lämpöolojen tärkeimpinä kuvaajina pidetään keskilämpötiloja. Kuukauden kes- kilämpötila on kuukauden päivien keskilämpötilojen keskiarvo. Vuorokauden keskilämpötila lasketaan havaintojen keskiarvona. Synoptisilla asemilla havain- toja tehdään 8 kappaletta kahden tunnin välein. Ilmastoasemilla havaintoja teh- dään kolme kertaa vuorokaudessa klo 08, 14 ja 20. Keskilämpötilan laskemi- sessa käytetään lisäksi vuorokauden minimilämpötilaa (Kolkin keskiarvokaavat).
Minimi- ja maksimilämpötilan mittauksessa käytetään erityisiä ääriarvomittarei- ta. Lämpimin hetki sattuu yleensä 2—3 tuntia keskipäivän jälkeen.(RT 05-10426 1990.)
Kuvista 6 ja 7 ilmenee vertailukauden 1931—1960 kesä- ja heinäkuun keski- lämpötilat (RT 05-10426 1990).
29
Kuva 6 kesäkuun keskilämpötila (RT 05-10426 1990)
30
Kuva 7 Heinäkuun keskilämpötila (RT 05-10426 1990).
31
Etelä-Suomessa keskilämpötila on korkeimmillaan heinäkuussa: +17 °C astetta.
Tästä voidaan päätellä, ettei asuinrakennusten ylikuumeneminen ei johdu aino- astaan ulkoilman lämpötilasta.
Asuinrakennuksen jäähdytys tapahtuu poistamalla lämpökuormien vaikutus ra- kennuksen sisältä. Asuinrakennuksen sisäilmaan tulevasta ja siitä poistuvasta lämpöenergiasta voidaan ajatella muodostettavan tase tietylle ajanjaksolle. Jos tase on positiivinen sisälle päin siirtyvän lämpöenergian suhteen, rakennus yli- kuumenee ajan kuluessa. Jäähdytysjärjestelmän teho mitoitetaan energiata- seen perusteella siten, että poistuvan lämpöenergian määrä on riittävällä mar- ginaalilla suurempi kuin sisään tulevan. Ajanjaksona voidaan käyttää esimerkik- si 24:ää tuntia. Mikäli rakennuksen ilmanvaihto ei riitä poistamaan sisäilman ylimääräistä lämpökuormaa, joudutaan rakennukseen asentamaan jäähdytys- laitteisto miellyttävän sisäilmaston takaamiseksi. Jäähdytyslaitteistoa saatetaan joutua käyttämään voimakkaiden lämpökuormien takia, vaikka ulkoilman lämpö- tila olisi suhteellisen alhainen. Valoaukkojen läpi tuleva auringon säteily on yleensä suurin yksittäinen lämpökuorma. Varjostusrakenteiden tekeminen onkin yksi tehokkaimmista passiivisista jäähdytysmuodoista. Ulkoilman sisältämä energia siirtyy rakennuksen sisälle tehokkaimmin ilmanvaihdon avulla; ulkovai- pan läpi johtumalla siirtyvän lämpöenergian merkitys rakennuksen ylikuumene- misessa on varsin pieni.
Rakenteille haitallisen diffuusiovirran edellytys on, että vesihöyryn osapaine on ulkona suurempi kuin sisällä. Tämä tarkoittaa käytännössä, että ulkolämpötilan tulee olla suurempi kuin sisällä. Kuukauden keskilämpötiloja ei voida käyttää homeriskin arvioimiseen, koska sisäilman lämpötila on korkeampi, eikä väärään suuntaan synny diffuusiovirtaa. Tämä ei poista mahdollisuutta, ettei kuukautta lyhyemmillä ajanjaksoilla voisi syntyä haitallista diffuusiovirtaa riittävän pitkään.
Korkeassa suhteellisessa kosteudessa ja lämpötilassa homeenkasvu voi alkaa jo viikon kuluttua.
Viikon hellejakso on yhdellä paikkakunnalla yleinen, muttei kuitenkaan joka- kesäinen. Kahden viikon helleputki on jo harvinainen, kun sellainen sattuu kes- kimäärin kerran 10 vuodessa. Poikkeuksellisesta hellejaksosta voidaan puhua
32
vasta, kun helle kestää vähintään kolme viikkoa. Näin on käynyt vuoden 1961 jälkeen vain vuosina 2003 ja 2010.(Ilmatieteen laitos 2011.) Kuvasta 8 ilmenee pisimmät yhtämittaiset hellejaksot 1961—2010.(Ilmatieteen laitos 2011.)
Kuva 8. Pisimmät yhtämittaiset hellejaksot (Ilmatieteen laitos 2011)
Pisimmillään hellejaksot kestävät noin 22 vuorokautta. Homeriskin arvioimisen kannalta ei ole mielekästä valita ajanjaksoa, joka toistuu kerran kymmenessä vuodessa. Laskentamenetelmän epäideaalisuudet tekevät laskelman arviosta todellisuutta pahemman. Olosuhteiden kestoa ei ole syytä liioitella ja näin lisätä laskelman epätodenmukaisuutta. Rakenteessa haitallisten olosuhteiden kestä- essä seitsemästä kymmeneen vuorokautta merkitsee tämä ulkoseinärakenteel- le homehtumisriskiä. Hellejaksot ovat onneksi lyhyitä, mikä pienentää homeris- kin muodostumisen mahdollisuutta. Kuvasta 9 nähdään huippuhellejaksojen pi- sin kesto.
33
Kuva 9 Huippuhellejaksojen kesto. (Ilmatieteen laitos 2011)
Huippuhellejaksot toistuvat erittäin harvoin ja ovat kestoltaan neljästä seitse- mään vuorokautta. Huippuhellejaksojen harvinaisen esiintymisen takia homeris- kin arvioiminen näissä olosuhteissa on epämielekästä. Ilmastonmuutoksen ja 2000-luvulla esiintyneiden ennätyskuumien kesien takia huippuhellejaksot on otettu arviointiin mukaan. Huippuhellejakson maksimikesto, noin viikko, on täl- löin arvion pohjana.
5.1.2 Ulkoilman kosteus
Ulkoilman lämpötila ja suhteellinen kosteus muuttuvat vuorokauden ajan mu- kaan ja kuukausittain. Kuvassa 10 on esitetty ilman suhteellisen kosteuden vaihtelu vuorokauden ajan ja kuukauden mukaan. (RT 05-10410 1989.)
34
Kuva 10 Ilman suhteellisen kosteuden vaihtelu (RT 05-10410 1989)
Kuviosta nähdään, että kesäkuukausina ilman suhteellinen kosteus muuttuu yhden päivän aikana 80 prosentista jopa 50 prosenttiin. Auringon säteilyn aihe- uttama lämpötilan nousu laskee suhteellisen kosteuden arvoa. Suhteellinen kosteus on pienin keski- ja iltapäivällä. Ilman sisältämän absoluuttisen kosteu- den arvo muuttuu vuodenajasta riippuen, mikä näkyy kuukausittaisessa suhteel- lisen kosteuden vaihtelussa. Kesällä haihdunta on suurta ja ilmaan sitoutuu kos- teutta vesihöyrynä. Kesällä ilmaan sitoutunut absoluuttinen kosteus nostaa il- man suhteellista kosteutta syksyllä ja talvella lämpötilan laskiessa. Talvella kos- teutta on kiinteässä olomuodossa lumena ja jäänä. Keväällä lämpötilan nous- tessa ja ilman absoluuttisen kosteuden ollessa pieni, on ilman suhteellinen kos- teus matalimmillaan.
Laskentamenetelmää on perinteisesti käytetty lämmityskauden vesihöyryn dif- fuusiovirran haitallisuuden arviointiin. Talvikuukausina ulkoilman suhteellisen kosteuden vuorokautinen vaihtelu on pienempi kuin kesällä ja menetelmä on
35
tällöin tarkempi. Lämmityskauden mitoittavat ääriolosuhteet toteutuvat kylminä talvikuukausina, jolloin auringon säteilyn vaikutus on vähäinen ja olosuhteet säi- lyvät tasaisina.
Laskentamenetelmä ei mahdollista ns. dynaamista laskentaa, joka huomioisi suhteellisen kosteuden vuorokautisen vaihtelun. Ulkoilman kosteuden suhteen on tehtävä arvio, jonka oletetaan säilyvän vakiona. Kesällä ulkoilman suhteelli- nen kosteus on tyypillisesti 60…75 % (Björkholtz 1997). Ulkoilman suhteellisen kosteuden arvoa 60…75 % käytetään laskelmissa. Ulkolämpötilan ollessa lähel- lä 30 astetta käytetään vaihteluvälin ala-arvoja, muutoin 75 %.
5.3 Sisäilmasto-olosuhteet
5.3.1 Sisälämpötila
Asuinrakennusta jäähdytettäessä ilmanlämpöpumpulla sisäilman lämpötilan säätömahdollisuus on tyypillisesti 16 – 30 °C. Käytännössä alle 20 °C sisäläm- pötila koetaan liian kylmäksi, joten sitä ole huomioitu laskelmissa. Laskelmissa sisälämpötilana käytetään 20 – 24 °C. Jäähdytetty 24 °C sisälämpötila on miel- lyttävä suhteellisen kosteuden alenemisen takia.
5.3.2 Sisäilman suhteellinen kosteus
Ilmalämpöpumpun sisäyksikkö kondensoi sisäilmasta vettä jäähdytyskäytössä.
Sisäyksikön lämmönvaihtimen pintalämpötila on tyypillisesti 2 – 8 °C. Yksiköstä ulos puhallettavan ilman absoluuttinen kosteus on likimain sama kuin kosteuspi- toisuus, joka vastaa lämmönvaihtimen pinnan lämpötilan mukaista kyllästyskos- teuspitoisuutta. Sisäyksikössä kuivunut sisäilma sekoittuu huoneilmaan. Huo- neilman suhteellinen kosteus asettuu tasapainoon riippuen rakennuksen sisäi- sistä kosteuslähteistä ja ilmanvaihdosta. Ilmanvaihdolla sisäilmaan tuodaan kosteutta ulkoilmasta. Ulkoilman kosteuspitoisuus vaihtelee vuorokauden- ja vuodenajan mukaan.
36
Laskelmiin sisäilman suhteellisen kosteuden arvoksi on arvioitu 45 %. Arvio pe- rustuu opinnäytetyön tekijän omakohtaisiin kokemuksiin ja mittauksiin. Arvio on pyritty tekemään siten, että ulkoseinärakenteeseen kohdistuva diffuusiovirta on suurimmillaan ja mahdollisen homeriskin todennäköisyys on myös suurin. Mitä pienempi on sisäilman suhteellinen kosteus ja lämpötila, sitä suurempi on vesi- höyryn osapaine-ero rakenteen yli. Olosuhteet homeenkasvulle syntyvät tällöin helpommin.
5.4 Materiaaliominaisuudet
Laskenta-alustaan, joka on tehty tätä opinnäytetyötä varten, syötetään ulkosei- närakenteiden materiaalitiedot. Materiaalitiedoilla mallinnetaan ulkoseinäraken- ne lämpötila- ja kosteusjakaumien laskemiseksi. Materiaalitietojen lähteinä olen käyttänyt SFS-EN ISO 10456 + AC standardia, RIL- 107-2000 julkaisua ja Tampereen teknillisen yliopiston talonrakennustekniikan tutkimus raporttia nro 129.
Rakennusmateriaalien materiaalitiedot poikkeavat hieman lähteestä riippuen.
Suuruusluokka säilyy kuitenkin samana, mikä on laskelmien todenmukaisuuden kannalta oleellisinta. Poikkeuksena ovat höyrynsulkumuovit, joiden vesihöyryn- vastuksien suhteen on suuria eroja tuotekohtaisesti. Sd-arvo voi vaihdella 30 metristä 100 metriin. Muissa ulkoseinärakenteen kerroksissa erot eivät ole mer- kittävän suuria. Esimerkiksi tuulensuojakerroksen diffuusiovastuskertoimen vaihtelu 5…10 tai mineraalivillan lämmönjohtavuuden pienet erot eivät vaikuta kosteusteknisiin laskelmiin oleellisesti.
37
6 ULKOSEINÄRAKENTEIDEN TOIMINTA JÄÄHDYTYSKAU- DELLA
5.3 Höyrynsulullinen ulkoseinärakenne
Höyrynsulullisen ulkoseinärakenteen kokonaisvesihöyrynvastus muodostuu pääasiassa ohuesta ja tiiviistä höyrynsulkukerroksesta. Tuulensuojamateriaali- en ja mineraalivillojen vesihöyrynvastus on höyrynsulkuun nähden pieni. Eriste- kerroksella ja sen paksuudella ei ole suurta merkitystä suuren vesihöyrynlä- päisevyyden takia. Vesihöyry pääsee kulkeutumaan suuren läpäisevyyden an- siosta helposti höyrynsulun kylmään ja tiiviiseen pintaan. Tilanne on rakenteen suhteellisen kosteuden ja vesihöyryn tiivistymisen kannalta huonoin mahdolli- nen. Tarkasteltavista ulkoseinärakenteista höyrynsulullisessa rakenteessa suh- teellinen kosteus nousee voimakkaimmin diffuusion vaikutuksesta ja siten olo- suhteet homeen kasvulle syntyvät helpoiten.
Rakenteen suhteellisen kosteuden nousuun voidaan rakenteellisesti hieman vaikuttaa tuulensuojan, eristeen ja höyrynsulun tiiveyttä muuttamalla. Valitse- malla tuulensuojaksi ja eristeeksi tiiviimpi materiaali ja höyrynsuluksi lä- päisevämpi materiaali, voidaan suhteellisen kosteuden nousua jarruttaa ulko- olosuhteiden muuttuessa kuumemmaksi ja kosteammaksi. Höyrynsulkumuovin läpäisevyys vaikuttaa edellä mainituista eniten.
Normaaleissa kesäolosuhteissa ei perinteiseen höyrynsululliseen puurunkoi- seen ulkoseinärakenteeseen synny homehtumisriskiä, jos sisälämpötila pide- tään sopivana 23—24°C asteessa. Haitallinen vesihöyryn diffuusio voi syntyä kestoltaan riittävän pitkäksi, jos rakennusta jäähdytetään tarpeettoman paljon.
Alle 23 °C asteen lämpötilat eivät ole suositeltavia. Diffuusiovirta voi nostaa täl- löin rakenteen kosteuden homeenkasvun kannalta riittävän korkeaksi suhteelli- sen matalassa ulkolämpötilassa, mikä tarkoittaa vaikuttavan ajanjakson piden- tymistä ja siten homeriskin kasvua.
38 5.5 Ilmansulullinen ulkoseinärakenne
Ilmansulkua käytetään höyrynsulun asemesta yleensä, kun eristemateriaali on hygroskooppinen. Ilmansulun höyrynsulkua merkittävästi alempi vesihöyrynvas- tus rajoittaa rakenteen suhteellisen kosteuden nousua. Alhaisellakaan sisäläm- pötilalla ei normaalina kesänä synny homeenkasvulle otollisia olosuhteita. Al- haisella sisälämpötilalla homeenkasvu mahdollistuu ainoastaan huippuhellejak- soilla, jos ulkoilman suhteellinen kosteus on erittäin korkea. Silloinkin olosuhtei- den tulisi olla kestoltaan noin viikon, yleensä huippuhellejaksot kestävät 4—6 vuorokautta. Sisälämpötilan ollessa sopiva, 24 °C, ei rakenteeseen synny ho- meriskiä.
Jälleenrakennuskaudelle tyypillinen sahanpurueristeinen ulkoseinärakenne toi- mii kosteusteknisesti lähes massiivipuurakenteen tavoin. Rakenne on ilmansu- lullinen kerroksellinen ulkoseinärakenne, mutta sahanpurueristeen kosteustek- ninen toiminta on lähellä umpipuuta. Rakenteessa ei ole diffuusiota estäviä ker- roksia ja se on ns. hengittävä rakenne. Vesihöyry voi diffuntoitua rakenteen läpi, nostamatta sen kerroksien suhteellista kosteutta. Homeenkasvulle suotuisat olosuhteet eivät synny rakenteeseen suurellakaan osapaine-erolla. Rakentee- seen ei synny homeriskiä.
5.4 Kiviaineinen kerroksellinen ulkoseinärakenne
Kiviaineisen kerroksellisen ulkoseinärakenteen kosteusteknisen toiminnan kan- nalta tärkeimpiä tekijöitä on tuulettuvuus ja käytetty eristemateriaali. Kiviainei- nen sisäkuoren ulkopinta on rakenteen suhteellisen kosteuden nousun kannalta kriittinen kerros. Jos rakenne on tuulettuva, määrää eristetyyppi pääasiassa kosteusteknisen toiminnan. Muovipohjaiset umpisolurakenteiset eristemateriaa- lit omaavat riittävästi vesihöyrynvastusta ja takaavat siten ettei diffuusiovirran takia suhteellinen kosteus nouse haitallisesti rakenteen kylmässä osassa. Hyvin vesihöyryä läpäisevät mineraalivillaeristeet päästävät vesihöyryn kulkeutumaan rakenteen kylmiin osiin, mikä tarkoittaa rakenteen suhteellisen kosteuden nou- sua.
39
Tuulettuvissa kiviaineisissa kerrosrakenteissa homeriski muodostuu samalla ta- valla kuin höyrynsulullisessa rakenteessa, jos eristemateriaali on hyvin vesi- höyryä läpäisevä. Sopivalla sisälämpötilalla homeenkasvun vaatima vaikuttava ajanjakso saadaan pitenemään niin suureksi, ettei se todellisuudessa toteudu.
Homeriski muodostuu ainoastaan teoreettisessa tapauksessa. Käytettäessä muovipohjaisia umpisolurakenteisia eristeitä, ulkoseinärakenteeseen ei synny homeriskiä.
Tuulettamattoman ulkoseinärakenteet ulkokuoren vesihöyrynvastus pienentää kriittisen kerroksen suhteellisen kosteuden nousua. Homeenkasvulle otolliset olosuhteet eivät toteudu todellisissa ulkoilmaolosuhteissa.
5.6 Massiivirakenteet
Massiivirakenteisen ulkoseinän materiaaleja ovat puu, tiili, kevytsora ja höyry- karkaistu kaasubetoni. Massiivirakenteet ovat kosteudelle avoimia hengittäviä rakenteita, joissa ei ole vesihöyryn diffuusion estävää kerrosta. Seinärakenne on käytännössä identtinen keskilinjan suhteen. Rakenteet toimivat talviolosuh- teissa, joissa vallitseva osapaine-ero on suurempi kuin jäähdytyskaudella. Mas- siivirakenne toimii identtisyyden takia molempiin suuntiin yhtäläisesti, joten ra- kenteeseen ei synny homeriskiä kesäkaudellakaan.
7 YHTEENVETO
Ulkoseinärakenteen suhteellinen kosteus nousee voimakkaimmin tuulettuvassa villatyyppisellä eristeellä toteutetussa kerrosrakenteessa. Suhteellisen kosteu- den nousun kannalta kriittinen kerros on lähellä rakenteen viileää sisäpintaa.
Sisäkuorella tai -verhouksella ei ole suurta lämmönvastusta, joka nostaisi ra- kenteen sisäosien lämpötilaa. Sisäosien lämpötila on lähes sama kuin sisäilman lämpötila. Laskelmissa lämpötila nousi kriittisen kerroksen kohdalla sisäilmaan nähden alle yhden asteen. Kriittisen kerroksen kyllästysosapaine on riippuvai- nen siis lähes yksinomaan sisäilman lämpötilasta.
40
Laskelmissa ulkoseinärakenteen suhteellinen kosteus nousi haitallisen suureksi silloin, kun eriste- ja tuulensuojakerroksella ei ollut riittävää vesihöyryn vastusta suhteessa sisäosien vesihöyryn vastukseen. Käytännössä tämä tarkoittaa vil- lamaisia eristeitä tuuletetussa rakenteessa. Poikkeuksena mainittakoon dif- fuusiota läpäisevällä ilmansulkukalvolla toteutetut rakenteet. Ilmansulullisen ra- kenteen kosteusjakauma on samankaltainen kuin höyrynsulullisessa rakentees- sa. Osapaine-eron tulisi olla erittäin suuri, jotta suhteellinen kosteus nousisi hai- tallisesti. Normaalisti höyrynsululla tai sisäkuorella on riittävästi vesihöyrynvas- tusta, että kyseisen kerroksen ulkopinnassa suhteellinen kosteus alkaa nousta merkittävästi osapaine-eron kasvaessa rakenteen yli.
Ulkoseinän rakenteellisilla muutoksilla voidaan vaikuttaa homeriskiin suhteelli- sen vähän. Rakenteiden ensisijainen rakennusfysikaalinen suunnittelu tehdään talviolosuhteiden perusteella, joten rakennekerroksien ominaisuuksia voi muut- taa vain rajatusti. Helpoin ja tehokkain tapa estää rakenteen suhteellisen kos- teuden nousu on pienentää vallitsevaa osapaine-eroa ja sen kestoa. Tämä to- teutuu, kun rakennusta jäähdytetään maltillisesti. Suositeltava sisälämpötila on 24 °C. Sisälämpötilan ollessa 24°C tarkasteltavissa rakenteissa haitalliset ul- koilmaolosuhteet olivat lähellä huippuhellejaksoja, joiden kesto on lyhyt ja tois- tuvuus harvinaista. Homeenkasvun tarvitsema aika saatiin siten todellisten olo- suhteiden keston ulottumattomiin ja homeriski poistettua kokonaan tai muutet- tua erittäin epätodennäköiseksi.
Suurin homeriski syntyy, kun sisälämpötila pidetään riskirakenteessa erittäin al- haisena normaaleissa kesäolosuhteissa. Tavanomaiset kesäolosuhteet ovat kestoltaan homeenkasvun kannalta riittävän pitkiä. Ulkolämpötilan ollessa 23—
24°C astetta yhtämittainen kesto voi olla 20—30 vuorokautta ja ehto homeen- kasvu tarvitsemasta ajasta täyttyy siten helpoiten.
41 KUVAT
Kuva 1 Yhteenveto ilman kosteuden vaikutuksista. s.7
Kuva 2 Lämpötilan ja kosteuden yhteisvaikutus kesäolosuhteissa, s.8 Kuva 3 Ilman liikenopeuden ja lämpötilan yhteisvaikutus, s.11
Kuva 4 Ilman virtausnopeus jäähdytyskäytössä,s.12
Kuva 5 Homeen kasvun alkamiseen vaikuttava kriittinen aika, s.21 Kuva 6 kesäkuun keskilämpötila, s.26
Kuva 7 Heinäkuun keskilämpötila, s.27
Kuva 8. Pisimmät yhtämittaiset hellejaksot, s.29 Kuva 9 Huippuhellejaksojen kesto, s.30
Kuva 10 Ilman suhteellisen kosteuden vaihtelu, s.31 TAULUKOT
Taulukko 1 Huonelämpötilan tavoitearvot, s.10 Taulukko 2 Ilman liikenopeuden suositusarvot, s.11
42
LÄHTEET
Asumisterveysohje. 2003. Sosiaali- ja terveysministeriö
Asumisterveysopas. 2008. Sosiaali- ja terveysministeriö. Vammala: Vammalan kirjapaino
Björkholtz, D.1997. Rakennusfysiikka lämpö ja kosteus. Helsinki: Rakennustie- to.
C3 Suomen rakentamismääräyskokoelma. Kosteus. Määräykset ja ohjeet 1998.
http://www.finlex.fi/data/normit/1918-c2.pdf (Luettu 16.1.2012)
C4 Suomen rakentamismääräyskokoelma. Lämmöneristys. Ohjeet 2012 luon- nosversio.
http://www.ymparisto.fi/download.asp?contentid=131110&lan=fi (Luettu 27.12.2011)
Ilmatieteen laitos
http://ilmatieteenlaitos.fi/tietoa-helteen-tukaluudesta (Luettu 15.11.2011) Ilmatieteenlaitos
http://ilmatieteenlaitos.fi/helletilastot (Luettu 12.11.2011)
LVI 05-10440. 2008. Sisäilmastoluokitus 2008 LVI 70-40027. 1993. Epätasaiset lämpöolot ja veto
Peuhkuri, R. ym. 2009. Rakennusmateriaalien homeenkestävyys ja sen mallin- taminen pysyvissä kosteusrasitusoloissa. Teoksessa Vinha, J. & Lähdesmäki, K. Rakennusfysiikka 2009. Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto, 239-248 Puuinfo Oy. 2009. Puuhallin suunnittelu Esisuunnittelu ja arkkitehtoniset valin- nat
Rafnet-ryhmä. 2004. Rakennusfysiikkaa rakennusinsinöörille Kosteus RIL 107-2000. 2000. Rakennusten veden- ja kosteudeneristysohjeet RT 05-10410.1989. Ilmasto, kosteus, sade ja lumi.
RT 05-10710.1999. Kosteus rakennuksissa RT 05-10426.1990. Ilmasto, lämpötila RT 055.30. 1976. Ilmasto, säteily
43
SFS-EN ISO 10456 +AC.2009. Rakennusaineet ja –tuotteet. Lämpö- ja koste- ustekniset ominaisuudet. Taulukoidut suunnitteluarvot ja menetelmät ilmoitetun lämpöteknisen arvon ja suunnitteluarvon määrittämiseksi.
SFS-EN 12086. 1997. Lämmöneristetuotteet rakentamiskäyttöön. Vesihöyryn- läpäisevyyden määritys.
Vinha, J. Puurunkoisten ulkoseinärakenteiden kosteustekninen toiminta Suo- men ilmasto-olosuhteissa. 2007. Teoksessa Vinha J. & Korpi M. Rakennusfy- siikka 2007. Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto, 89-100
Vinha, J., Valovirta, I., Korpi M., Mikkilä, A., Käkelä, P. 2005. Rakennusmateri- aalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona. Tampereen teknillisen yliopiston julkaisuja Tutkimusraportti 129.
Toshiba Super Daiseikai PKVP-E/PAVP-E. Engineering Data Book. 2009. Ja- pan: Toshiba Carrier Corporation.
